隧道圍巖收斂變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測分析

付志鵬，閆 濤,汪樹峰，周子榮，王浩林

(核工業(yè)井巷建設(shè)集團(tuán)公司,浙江 湖州 313000)

隨著我國隧道施工的發(fā)展,針對(duì)特定的地質(zhì)環(huán)境下隧道圍巖變形機(jī)制及其控制技術(shù)等問題,科研人員進(jìn)行了大量研究,尤其是建立在掩飾的剛性壓縮特性,三向壓縮應(yīng)力應(yīng)變特性和摩爾應(yīng)力學(xué)說基礎(chǔ)上的新奧法已經(jīng)應(yīng)用廣泛[1-3]。本文針對(duì)正在施工中的甬臺(tái)溫西灣隧道,將圍巖納入到隧道支護(hù)體系,根據(jù)圍巖變形穩(wěn)定性來調(diào)整隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)[4],通過現(xiàn)場實(shí)測來量測、監(jiān)控圍巖動(dòng)態(tài),分析開挖過程中圍巖的變形規(guī)律,對(duì)進(jìn)一步的施工和設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo),以便為類似地質(zhì)條件下的隧道施工提供技術(shù)借鑒。

1 工程概況

西灣隧道穿越位于浙江省平陽縣,屬于甬臺(tái)溫天然氣輸氣管道工程蒼南支線平陽段部分,是浙江省天然氣管網(wǎng)的一部分。隧道穿越地段總體地貌形態(tài)為中低山丘陵,最高點(diǎn)高程為620.00 m,最低點(diǎn)為進(jìn)洞口高程12.0 m,最大埋深約384 m。線路基本呈北南走向,隧道長度為2 599.46 m,坡度分別為3.49%/297.13 m,16.68%/2 302.33 m。隧道圍巖劃分為Ⅲ～Ⅴ類,其中目前開挖的圍巖屬于Ⅴ和Ⅳ類,長度278 m,占總長度的10.70%。該地質(zhì)段圍巖屬于強(qiáng)風(fēng)化呈碎塊狀,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,巖質(zhì)較硬,自穩(wěn)性差,層間結(jié)合差,切割塊體開挖后拱部易產(chǎn)生失穩(wěn)。

2 監(jiān)測概況

根據(jù)天然氣隧道施工的規(guī)范要求,針對(duì)平陽縣段巖層隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工工藝和隧道施工中對(duì)圍巖的監(jiān)測要求,監(jiān)測主要采用半斷面測點(diǎn)布置法,監(jiān)測內(nèi)容包括周邊收斂和拱頂下沉。隧道內(nèi)布置收斂觀測點(diǎn)和沉降測點(diǎn)在同一斷面上,埋設(shè)穩(wěn)固且標(biāo)志明顯,在開挖24 h內(nèi)和下一循環(huán)開挖之前測讀數(shù),以獲取圍巖開挖初始階段的變形動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[5-6],之后2～3 d測一次讀數(shù)直至數(shù)值基本不發(fā)生變化。其中監(jiān)測項(xiàng)目縱向平面布置見圖1,圖2為JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì),半斷面監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3,監(jiān)測項(xiàng)目采用儀器和測點(diǎn)數(shù)等見表1。

圖1 監(jiān)測項(xiàng)目縱向平面布置圖

圖2 JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)

圖3 測點(diǎn)布置圖

序號(hào)項(xiàng)目名稱儀器斷面布置測點(diǎn)數(shù)1周邊收斂JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)間隔10 m每個(gè)斷面3個(gè)2拱頂下沉JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)間隔10 m每個(gè)斷面3個(gè)

3 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 周邊收斂

凈空收斂位移是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直觀的反應(yīng)。隧道開挖后首先布置在同一平面的3個(gè)測點(diǎn),形成A、B和C三條測線(圖3),選取里程號(hào)為K0+120、K0+130、K0+140的三個(gè)測點(diǎn),從2017年6月17日起始至2017年8月10日結(jié)束,整理分析這段時(shí)間內(nèi)B測線收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)及其現(xiàn)場資料,繪制周邊收斂時(shí)程曲線(圖4)。圖4中正值表示周邊收斂,負(fù)值表示周邊擴(kuò)張。

對(duì)周邊收斂時(shí)程曲線進(jìn)行分析,將其分為“初始變化—緩慢變化—急劇變化—趨于平穩(wěn)”四個(gè)階段,對(duì)應(yīng)圖4中A、B、C、D四個(gè)分段。隧道初始開挖支護(hù)完成后,有較快的變形,趨勢如圖4中A分段所示；經(jīng)歷10 d左右時(shí)間后收斂趨于緩慢,具體變化如圖4中B分段所示；7月初,為方便快速出渣,開挖錯(cuò)車場對(duì)其附近的三個(gè)測點(diǎn)產(chǎn)生劇烈變化,如圖4中C段所示,分析認(rèn)為錯(cuò)車場的開挖致使其周邊圍巖局部應(yīng)力集中,打破原有的應(yīng)力平衡應(yīng)力狀態(tài),拱腰和拱頂及邊墻初期支護(hù)的混凝土出現(xiàn)了小的開裂及部分剝落,鋼拱架、鋼筋網(wǎng)及連接筋外露,并有不同程度的彎曲、扭曲變形。施工項(xiàng)目部針對(duì)以上監(jiān)測反饋的數(shù)據(jù),及時(shí)采取加固措施；進(jìn)入7月中旬后收斂變形趨于平穩(wěn),變化見圖4中D分段。

圖4 周邊收斂時(shí)程曲線

3.2 拱頂下沉

拱頂下沉與周邊收斂點(diǎn)布置在同一斷面,分析通過監(jiān)測測線A和C的變化計(jì)算得到的拱頂下沉數(shù)據(jù)情況,得到縱向分布曲線見圖5,圖5中正值表示上升,負(fù)值表示拱頂下沉。

圖5 拱頂下沉縱向分布曲線

對(duì)圖5進(jìn)行分析,可以看出Ⅴ類圍巖平均下沉值12 mm，Ⅳ類圍巖拱頂平均下沉值9 mm,進(jìn)入Ⅳ類圍巖后,由于圍巖穩(wěn)定性的提高,拱頂下沉值明顯變小,但是在兩類圍巖交界帶出現(xiàn)了下沉最大的峰值,分析認(rèn)為該位置處于巖層巖性的交界帶,節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理多表現(xiàn)為張開性,裂隙間以光滑面為主,在拱頂圍巖自重下拱頂下沉量達(dá)到最大。

通過K0+150和K0+170兩斷面測線A和C的長度變化繪制的拱頂下沉?xí)r程曲線(圖6),同樣可以將其分為“初始變化—緩慢變化—急劇變化—趨于平穩(wěn)”四個(gè)階段,從圖6中看出進(jìn)洞口Ⅴ類圍巖,開挖及初期支護(hù)完成后,拱頂下沉速率較大,錨噴支護(hù)約20 d后下沉速率減小,下沉趨勢變緩,隨著7月中旬降雨量增加,地表水沿著山體裂隙滲透到隧道內(nèi)致使隧道內(nèi)涌水增加,拱頂下沉速率驟然增加,部分拱頂下沉導(dǎo)致初期支護(hù)的混凝土脫落掉塊。針對(duì)以上情況,進(jìn)行混凝土補(bǔ)噴,下沉速率減小,變形量得到控制,約7 d后基本達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)于Ⅳ類圍巖,初期支護(hù)完成30 d后,拱頂下沉速率有增加的趨勢,表現(xiàn)為與Ⅴ類相同的變化趨勢,分析認(rèn)為隧道內(nèi)涌水量的增加對(duì)拱頂圍巖下沉有促進(jìn)作用。

圖6 拱頂下沉?xí)r程曲線

對(duì)拱頂下沉按照圍巖等級(jí)分類統(tǒng)計(jì)見表2,可以發(fā)現(xiàn)Ⅴ類圍巖平均下沉量大于Ⅳ類圍巖下沉量,Ⅴ類圍巖較Ⅳ類圍巖趨于穩(wěn)定的時(shí)間要長。已有研究表明圍巖變形與測點(diǎn)到開挖面的距離(L)和隧道直徑(D)的比值L/D理論上表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系,一般L/D達(dá)到2～3后基本穩(wěn)定,之后迅速減小直至穩(wěn)定,與現(xiàn)場觀測得到的一般數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),計(jì)算結(jié)果基本符合,如K0+100和K0+220。

表2 圍巖分級(jí)拱頂下沉統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

本文針對(duì)甬臺(tái)溫西灣隧道進(jìn)洞口現(xiàn)場地質(zhì)條件和具體施工情況,通過應(yīng)用收斂測量儀等儀器對(duì)現(xiàn)場圍巖變形進(jìn)行量測,分析數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1)隧道開挖完成后周邊收斂和拱頂下沉量都呈現(xiàn)“初始變化—緩慢變化—急劇變化—趨于平穩(wěn)”四個(gè)階段,但是急劇變化階段卻發(fā)生在不同時(shí)間段內(nèi),分析認(rèn)為周邊收斂有急劇變化的趨勢其原因是洞內(nèi)錯(cuò)車場開挖,拱頂下沉有急劇變化的趨勢其原因是隧道內(nèi)涌水量的增加。

2)拱頂下沉按照圍巖等級(jí)分類進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),Ⅴ類圍巖平均下沉量較Ⅳ類圍巖大,且達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間也較長,同時(shí)在Ⅴ類和Ⅳ類交界帶由于節(jié)理裂隙發(fā)育,致使拱頂下沉量達(dá)到最大。

3)隧道圍巖初期變形與時(shí)間基本呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)收斂模型,具有較好的可觀測性。